背景
美国本土风力发电机生产商Zond,Enertech, U.S. Windpower,Cart上世纪80年代，在美国政府再生能源补贴政策的鼓励下，以加利福尼亚三大风力发电基地（AltamontPass, PalmSprings, TehachapiPass/MojaveDesert）为代表的美国早期风力发电场的建设得到快速发展，当时风力发电机的主力机型是65kW– 220kW的丹麦三叶片水平风力发电机，同时德国、荷兰、日本的三叶片水平风力发电机也有较大的安装数量，美国公司FlowWind生产的垂直风力发电机erWind Energy也纷纷加入了加州的“风电热”（windrush）。
风力发电机的叶轮转速虽然不是很高，远远看去成群的风机缓慢地旋转，似乎很轻松就能将风能转换为电能。其实不然，绝大部分南加州风力发电场是建造在山脉边缘面向山谷或沙漠，也有部分是建在山谷谷底的风口。这些风场址的风况及其复杂，风速、风向变化幅度大，即便是同一个风场的不同风机安装位置也会出现完全不同的风况条件，使得原本在平原或丘陵地带安全可靠运行的风力发电机在南加州风场中短短几年就出现了大批失效与损坏，以至于当时美国风电业内人士给南加州风电场送了一个“风机屠宰场”的称号。
风力发电机的早期失效使得一大批风力发电机制造商被迫出局，而当今全球风电行业的几个主要制造公司，如Vestas,GE, 西门子，三菱，Gamesa，都在加州风电场的大量风机事故中得到了很多宝贵的经验教训。
本文作者有幸见证了这个历史时期，并且参与了多个为风力发电机过早损坏而产生的法律诉讼提供载荷取证的测试工作。本文介绍的就是1995年发生在Mojave沙漠SeaWest公司的160兆瓦风电场的一起风机机舱坠落事故。
风机整机载荷测试项目
SeaWest公司于1989年在Tehachapi山脉和Mojave沙漠之间的一片宽阔的斜坡上安装了640台三菱重工制造的250kW风力发电机，装机容量为160兆瓦。整个风场尾排风机接近Mojave沙漠，前排接近Tehachapi山脉的半山腰，海拔高度落差约900米，风电场概貌图如图一所示。
图一 SeaWestMojave Wind Farm
由于风电场背靠沙漠，面对山脉，其风资源很有规律。每天上午太阳升起以后，沙漠温度迅速升高，空气受热上升形成低压，山上的冷空气受压差的作用流向沙漠形成持续的定向风驱动风机发电。通过几年的风场运营，业主发现风电场坐落于中后排的风机发电量明显低于风场前几排风机的发电量。为了提高整个风场的发电量，业主计划将风机的原装叶片换成效率更高的叶片设计且不排除加长叶片的可能性。为此，业主委托本文作者所属公司DynamicDesign Inc.进行原型机的载荷测试，目的是通过载荷测试掌握原型机在风场实际风况条件下的载荷，并对叶片、轮毂、传动链、塔筒等主要部件的设计进行综合评估，确保更换叶片后在不影响风机寿命的情况下提高发电量。
载荷测试从1994年秋季开始，一直延续到1995年夏初，基本覆盖了秋、冬、春、夏四个季节，确保数据反映所有的季节和风况的变化。根据测试方案，传感器包括了三个叶片的根部位正交方向应变片,测量叶片挥舞方向（flapwise）和摆振方向（edgewise）的弯矩，主轴弯矩和扭矩应变，轮毂应变，齿轮箱箱体应变，塔筒顶部正交方向弯矩和扭矩，塔筒根部正交方向弯矩和扭矩，叶轮方位角（azimuthposition）,机舱偏航角，机舱偏航误差，机舱结构应变，叶片桨叶角，风机转速，风机发电功率，风速，等共48个信号。数据采集采用了当时美国再生能源国家实验室最新一代的8通道数据采集器。整个载荷测试系统的架构如图二所示。
图二 风机整机载荷测试系统架构
叶片载荷数据根据图三所示坐标系逐次分解到风机的各主要部件并通过“雨流计数”（rainflow counting）算法得到疲劳载荷出现的频次分布。图四为叶片的疲劳载荷频次分布。
图三 风机各部件坐标系
图四 叶片根部挥舞弯矩频次分布
根据载荷数据的分析结果，得到了几个重要的结论：
?叶片对阵风响应过于敏感，控制系统对桨叶角度的调整延迟使得叶片动态载荷超载频繁发生。 而当阵风过去后的瞬间，桨叶调整的延迟又使得叶片推动气流向风机下风方向运动，此时风机叶轮处于类似风扇的工作状态，不但没有发电，反而消耗电能，这种载荷逆转对整个传动链造成反冲击（backlash），对传动链部件造成一定的损害。
?被测风机的三个叶片的稳态载荷不尽相同，2号叶片的挥舞弯矩（flapwise bending moment）大于其它两个叶片的挥舞弯矩而摆振弯矩（edgewise bending moment）却小于其它两个叶片。由于三个叶片的桨叶角基本一致，载荷的差异来自于叶片的空气动力学差异，导致叶轮乃至整个塔筒受到额外的周期性推力激励。
?疲劳载荷随着风速的增加而增加，但是在风速在风机接近额定输出功率时（14m/s风速），疲劳载荷突然快速增加，反而超过了风机完全进入满发状态的风速（16m/s）时的疲劳载荷，（见图四）。显示桨叶角控制器的响应在风机即将进入满发状态的拐点时延迟过大，没有有效地抑制动态载荷。
根据测试数据的分析结果，建议业主：
?选择对阵风具有低响应敏感特性的机翼设计替换原装叶片，同时可以适当加大叶片长度增加风机的扫风面积，提高发电量。
?针对桨叶角控制的滞后所造成的满发拐点处疲劳载荷大于风机完全进入满发状态后的疲劳载荷的现象，建议采用主动调浆和被动失速相结合的方法降低疲劳载荷。
?把长期疲劳载荷监测作为指导风机运维决策的关键手段，风机关键部件的载荷监测结合SCADA所记录的桨叶角、机舱偏航位置、风机功率输出，可以给出风力发电机在实际运行条件下的真实健康状况和维修保养的需要。
风机疲劳载荷长期监测在上世纪90年代是一个全新的理念，提出这个理念不是拍脑袋想出来的，而是在分析了风机的载荷数据以后发现在风场中运行的风机的实际载荷和设计目标有显著的差别，这个差别已经严重影响到了风机的使用寿命的情况下得出的结论。风机疲劳载荷长期监测的提议被接下来的一起风机机舱坠落事故进一步证实是完全必要的。
机舱坠落事故原因分析
1995年6月4日，SeaWest风场维护人员发现风场前排的一台风机机舱坠落地面，事发现场发现偏航轴承和塔筒顶部连接的螺栓全部断裂，螺栓断面显示典型的疲劳失效纹路，如图五所示。
业主根据刚结束的载荷测试结果认定该风机机舱坠落是因为风机疲劳载荷设计不当引起的，进而向三菱公司提出赔偿要求，三菱公司则坚持设计没有问题。在双方相持不下的情况下，业主要求DynamicDesign根据实测载荷数据推算螺栓的疲劳寿命。
根据被测风机的塔顶螺栓的疲劳弯矩频次分布和事故风机的年风速的分布记录，DynamicDesign计算出事故风机的偏航轴承固定螺栓的寿命约为6~7年，而该风机1989年安装完毕并网发电，事故发生在1995年6月，螺栓的疲劳寿命的计算结果与实际情况完全吻合。当测试报告和计算分析结果提交给三菱技术部门以后，三菱决定对整个风场640台风机的偏航轴承固定方式进行整改，同时赔偿整改期间的发电量损失。
图五 事故现场及从事故现场收集的偏航轴承固定螺栓
结语
风力发电机的设计载荷和风机在实际运行中所受到的载荷并不一致，这是由风机安装地点的风况条件所决定的，在设计时是无法预计到的。同一台风机在两个不同的风场，甚至在同一个风场的不同位置，其发电量和载荷可能完全不同，风机整机载荷的长期监测提供了及时掌握风机疲劳损伤和预测性维护的有效手段。
现代大型风机提供了独立调浆的功能，如果结合叶片载荷的实时监测，理论上可以为每台风机提供量身定制的调浆控制机制。当风机在功率曲线不同的区域工作时可以设置不同的控制目标，比如在切入风速至额定风速区间，控制目标是跟踪最佳工作效率点，优化风机的发电量输出；而当风速到达额定功率点附近的区间，控制目标则应切换成抑制叶片的动态载荷，保护风机不受损伤。由于风况变化、叶片动态响应、控制系统的延迟、这三者之间的相互作用和互相牵制，使得及时掌握叶片实时载荷显得尤为重要，甚至可以说实时载荷监测是独立调浆是否有效的根本保障。
参考资料
[1]“Mojave Wind Power Station Enhanced Performance Project, Phase 1 – MHI-250 Baseline Turbine Test Report.” Dynamic Design, January 26, 1996.
[2]“Mojave ’89 Turbine 1B Failure Review Report.” Dynamic Design, August 4, 1995.
作者：斯凯孚人工智能高级数据科学家 韦俊
